SUPERVISOR
Mohsen Mohammadi,Masoud Haghshenas fard
محسن محمدی (استاد راهنما) مسعود حق شناس فرد (استاد راهنما)
STUDENT
Sina Eslami Shahrebabaki
سینا اسلامی شهربابکی
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی شیمی
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1395
TITLE
Modeling of growth and agglomeration of gas hydrate particles in the presence and absence of anti-agglomerate inhibitors using the population balance model in oil and gas pipelines
Gas hydrate formation is known as undesirable phenomena in oil and gas process equipment and pipelines. In hydrocarbon reservoirs, Natural gas and crude oil are in contact with water. Hydrate formation in various sectors of oil and gas industry can cause clogging or damage to pipelines, nozzles and other related equipment. This thesis examines the rate of formation and growth of hydrate particles in oil transmission pipelines, where the presence of oil, gas, and emulsion droplets of water dispersed in oil, have provided the conditions for hydrate formation. First, by determining the temperature and pressure distribution in the pipeline, as well as calculating the equilibrium temperature of hydrate formation by the Chen-Gou model, the points in which the equilibrium conditions are available for hydrate formation are identified. Using the homogeneous model for emulsion, the pressure drop in the tube is calculated. According to the flow conditions, the properties of water in oil emulsion have been determined. Because the hydrate nucleation process usually occurs with a delay after providing thermodynamic condition, thus normal distribution is used to determine the nucleation time in each droplet. In this thesis, each droplet of water is considered as a separate reactor, by determining the size of droplets, and using existing equations to determine the growth rate of hydrated crystals, the hydrate volume generated during the process for the system containing methane, water, and decane are calculated. By calculating the amount of hydrate in the system, and using existing equations for the rheology of suspension flows, the apparent viscosity of the hydrate suspension in decane is calculated. When the apparent viscosity faces a sudden increase, the pipeline will be plugged. Finally, the effect of ant-agglomerate inhibitors on the apparent viscosity of suspension has been investigated. By using the Chen-Gou model to calculate the equilibrium temperature of methane hydrate formation, 0.024% error was obtained. Assuming homogeneity of the fluid, 8% error was obtained to determine the pressure drop in water in oil emulsion. Also, if each water droplet considered as an independent reactor for hydrate formation, in the system containing water in decane emulsion and methane gas, the accuracy of methane gas consumption is estimated to be between 13% and 18%. By investigating the use of anti-agglomerate inhibitors, the results showed that the use of these inhibitors decrease the rate of agglomeration of hydrate particles in the suspension due to the correction of the water-hydrate contact angle and the reduction of interfacial tension between water and oil. By decreasing the rate of agglomeration of hydrate particles, the apparent viscosity of the suspension is increased at a lower rate than the condition that we do not use the inhibitor, and consequently the pipeline blockage is delayed. Keywords: Gas hydrate, Water in oil emulsion, Hydrate growth kinetic, Population balance
تشکیل کریستالهای گازی به عنوان یک پدیده نامطلوب در خطوط لوله و تجهیزات فرآیندی نفت و گاز شناخته میشود. از آنجا که گاز طبیعی و نفت خام به طور طبیعی در مخازن هیدروکربنی با آب در تماس هستند، تشکیل کریستال هیدرات در بخشهای مختلف صنایع نفت و گاز میتواند باعث ایجاد گرفتگی و یا آسیب در خطوط لوله، نازل ها و سایر تجهیزات مربوطه گردد. در این پایاننامه به بررسی سرعت تشکیل و رشد ذرات هیدرات در خطوط انتقال نفت، جایی که نفت و گاز حلشده در آن به عنوان سیال پیوسته، به همراه قطرههای امولسیون آب پخش شده در آن، شرایط تشکیل هیدرات را مهیا کردهاند، پرداخته شده است. در ابتدا با تعیین شرایط دمایی و فشاری در خط لوله، و همچنین محاسبه دمای تعادل تشکیل هیدرات توسط مدل چن-جو، نقاطی که در آنها شرایط تعادلی برای تشکیل هیدرات مهیاست، شناسایی شده است. با استفاده از مدل همگن برای امولسیون، افت فشار در لوله محاسبه شده است. همچنین با توجه به شرایط جریان، مشخصات امولسیون آب در نفت، همچون سایز متوسط و توزیع سایز قطرههای امولسیون آب در نفت، که تاثیر زیادی بر رئولوژی جریان پس از تشکیل هیدرات دارد، تعیین شده است. با توجه به اینکه هسته زایی هیدرات معمولا بلافاصله پس از مهیا شدن شرایط ترمودینامیکی تشکیل هیدرات اتفاق نمیافتد، پس از ایجاد شرایط تعادلی تشکیل هیدرات در سیستم، برای تعیین زمان هستهزایی در هر قطره از توزیع نرمال استفاده شده است. با این کار میتوان تعداد قطره هایی که در هر زمان مشخص در آنها هستهزایی رخ داده است را مشخص نمود. با توجه به اینکه در این پایاننامه، هر قطره آب به عنوان یک راکتور جداگانه عمل میکند، با تعیین سایز و مشخصات هر قطره، و استفاده از روابط موجود برای تعیین سرعت رشد کریستال های هیدرات، حجم هیدرات تولید شده در طی فرآیند برای سیستم حاوی متان، آب و دکان محاسبه شده است. با تعیین حجم هیدرات تولید شده در سیستم و همچنین استفاده از روابط مربوط به رئولوژی جریان های حاوی ذرات سوسپانسیون، مقدار ویسکوزیته ظاهری سوسپانسیون هیدرات در نفت در هر مقطع از لوله محاسبه شده است. جایی که ویسکوزیته ظاهری با افزایش ناگهانی قابل توجهی مواجه شود، محل مسدود شدن لوله خواهد بود. در ادامه به بررسی عملکرد بازدارندههای ضدتجمعی بر روی ویسکوزیته ظاهری سوسپانسیون، پرداخته شده است. با استفاده از مدل چن-جو برای محاسبه دمای تعدل تشکیل هیدرات متان، خطای 024/0 درصد بدست آمد. با استفاده از فرض همگن بودن سیال، برای تعیین میزان افت فشار در امولسیون آب در نفت، خطای 8 درصد بدست آمد. همچنین در صورتی که هر قطره آب به عنوان یک راکتور مستقل برای تولید هیدرات درنظر گرفته شود، برای سیستم شامل امولسیون آب در دکان و گاز متان، دقت محاسبه مصرف گاز متان، بین 13 تا 18 درصد بهدست آمده است. با بررسی استفاده از بازدارنده های ضدتجمع، نتایج نشان داد که استفاده از این بازدارندهها به دلیل اصلاح زاویه تماس آب با هیدرات و کاهش کشش بین سطحی آب و نفت ، موجب کم شدن سرعت تجمع ذرات هیدرات در سوسپانسیون میشود. با کاهش نرخ تجمع ذرات هیدرات، ویسکوزیته ظاهری سوسپانسیون با سرعت کمتری، نسبت به حالتی که از بازدارنده استفاده نکنیم، افزایش یافته و به تبع آن انسداد لوله به تاخیر میافتد. کلمات کلیدی: 1- هیدرات گازی 2-امولسیون آب در نفت 3-سینتیک رشد هیدرات 4-موازنه جمعیت